CN101894744B - 一种采用背面保温层技术激光晶化多晶硅薄膜的方法 - Google Patents

Abstract

一种采用背面保温层技术激光晶化多晶硅薄膜的方法，步骤如下：在玻璃衬底正面上沉积阻挡层；在阻挡层上沉积晶化前驱物；在上述玻璃衬底背面沉积非晶硅薄膜保温层；用激光器扫描玻璃衬底正面的晶化前驱物表面，晶化完成后形成多晶硅表面；在多晶硅表面旋涂一层光刻胶；通过湿法刻蚀的方法，用Freckle试剂去除衬底背面的非晶硅保温层；将样品浸入去胶剂去掉多晶硅表面的光刻胶即可。本发明的优点是：可有效提高激光晶化多晶硅的性能，且工艺简单、工艺窗口宽、易于实施，不会对形成的多晶硅造成任何影响；所制得的多晶硅薄膜可广泛应用于制备多晶硅薄膜晶体管、显示器光电子器件、面阵敏感器、平板显示基板等，具有重要的实用价值。

Description

一种采用背面保温层技术激光晶化多晶硅薄膜的方法

技术领域

本发明涉及多晶硅薄膜材料的制备技术，特别是涉及一种采用背面保温层技术激光晶化多晶硅薄膜的方法。

背景技术

鉴于薄膜多晶硅具有高的迁移率(几十cm²/V.s甚至几百cm²/V.s)、以及高的光电响应效率与稳定性，已广泛应用于平板显示的有源选址基板和高效长寿命薄膜太阳能电池等微电子、光电子器件。优质的多晶硅材料是获得良好性能器件的基础，而多晶硅技术的关键在于其晶化方法，现有的晶化方法主要包括高温固相晶化(SPC)，激光晶化(ELA)和金属诱导晶化(MIC)。这三种方法各有特点，其中激光晶化法得到的多晶硅材料是性能最优的一种晶化技术，再加上其可以实现低温的制备过程，而成为目前产业界实际采用的多晶硅薄膜制备技术。激光晶化法是利用激光瞬时的高能量入射到非晶硅薄膜表面及内部，仅在薄膜表层大约100nm厚的深度产生热能效应，使薄膜在瞬间熔融，而后冷却结晶的技术，在此过程中激光的瞬间能量被非晶硅薄膜吸收并转化为相变能。虽然激光晶化形成的多晶硅性能是最优的，但是其中仍会存在晶粒间界，形成载流子陷阱，将降低材料性能。因此，如何增大晶粒尺寸，减小晶结缺陷态，提高材料性能是此研究领域一直追求的目标之一。目前人们通过对激光晶化物理机制和其晶化动力学过程的研究，已发现非晶硅在吸收激光能量融化后，延长熔融硅的冷却时间是增大晶粒尺寸的有效途径之一。近年来，人们提出了激光晶化过程中加加热衬底的方法或加保温层的方法，来降低温度梯度实现保温作用以延长固化时间。其中加热衬底的方法顾名思义即是在样品衬底下面放置一加热源，使衬底在激光晶化过程中保持在一定温度之下，从而起到延长熔融硅的冷却固化时间，增大晶粒的作用。很显然，这种方法需要在精密工作台上附加加热设备，给制备带来难度和复杂性。保温层法即在非晶硅晶化前驱物表面先沉积一层氧化硅或者氮化硅，可以在激光晶化过程中对其下面的熔融硅起到保温作用，也可达到延长熔融硅的冷却固化时间，增大晶粒的作用。然而，在晶化完成后，这层SiO₂需要在被刻蚀掉。这样以来，就要精确掌握好刻蚀的时间等工艺参数，否则将会对下面的多晶硅造成破坏，这不但使得工艺窗口窄化，增加制备的工艺难度，而且在刻蚀掉保温层的过程中或多或少也会影响到下面的多晶硅表面。例如，如果应用到薄膜晶体管，则将使得有源层和栅极绝缘层之间的界面有受到破坏，降低器件性能。因此，能够找到一种工艺既简单又不会对材料有破坏最用的方法延长熔融硅的冷却固化时间，起到增大多晶硅晶粒的作用将是非常有意义的。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种采用背面保温层技术激光晶化多晶硅薄膜的方法，该方法工艺简单、易于实施、可有效提高激光晶化多晶硅的性能且不会对形成的多晶硅表面造成任何破坏。

本发明的技术方案：

一种采用背面保温层技术激光晶化多晶硅薄膜的方法，包括如下步骤：

1)、在玻璃衬底正面上沉积阻挡层；

2)、在上述阻挡层上沉积晶化前驱物；

3)、在上述玻璃衬底背面沉积非晶硅薄膜保温层；

4)、用激光器扫描玻璃衬底正面的晶化前驱物表面，晶化完成后形成多晶硅表面；

5)、在上述多晶硅表面旋涂一层光刻胶；

6)、通过湿法刻蚀的方法，用Freckle试剂去除衬底背面的非晶硅保温层；

7)、将样品浸入去胶剂10分钟，去掉多晶硅表面的光刻胶。

所述阻挡层为氧化硅薄膜，其厚度为100纳米，其制备方法为等离子增强化学气相沉积法。

所述晶化前驱物为非晶硅薄膜，其厚度为100纳米，其沉积方法为低压化学气相沉积法。

所述非晶硅薄膜保温层的厚度为0.5μm～1.5μm，其沉积方法为低压化学气相沉积法。

所述激光器为半导体激光器或准分子激光器，其激光光斑形状为圆形、矩形或正方形；激光器的工艺参数：波长为532nm、脉冲频率为10Hz、光束直径为5mm、单脉冲能量密度为320mJ/cm²。

所述光刻胶为佳能204光刻胶，旋涂方法为：在旋甩速度1000转/分钟下旋涂1分钟，在旋甩速度5000转/分钟下旋涂50秒。

所述去胶剂为佳能去胶剂，样品浸入去胶剂时间为10分钟。

一种所述激光晶化多晶硅膜的应用，包括多晶硅薄膜晶体管和多晶硅晶体管电路、显示器象素电极和光电子器件、采用多晶硅电路和象素电极制备的全集成显示系统。

本发明的工作原理：在晶化前驱物的衬底背面先制备一层非晶硅薄膜，然后在激光的照射下使得样品正面的晶化前驱物发生相变而晶化。其中衬底背面的非晶硅可以吸收穿透衬底没有被晶化前驱物吸收的剩余的部分激光能量而升温，起到延迟衬底正面的熔融硅冷却固化时间的作用，达到增大晶粒尺寸，提高多晶硅性能的目的。晶化完成后将衬底背面的非晶硅薄膜用干法或者湿法的方法刻蚀掉。由于在刻蚀前衬底正面晶化后形成的多晶硅薄膜旋涂上一层光刻胶予以保护，因此在刻蚀过程中不会对多晶硅表面产生任何影响，刻蚀完成后再将光刻胶去掉即可。在刻蚀背面非晶硅的过程中，多晶硅被光刻胶保护，即使刻蚀条件不是很准确也仅仅影响到玻璃衬底，而对多晶硅没有任何影响，因此这一过程的工艺窗口很宽。

本发明的优点是不但可有效提高激光晶化多晶硅的性能，而且工艺简单、工艺窗口宽、易于实施，且不会对形成的多晶硅造成任何影响。所制得的多晶硅薄膜可广泛应用于制备多晶硅薄膜晶体管和多晶硅晶体管电路，显示器象素电极和光电子器件、面阵敏感器，平板显示基板，多晶硅电路和象素电极制备的全集成显示系统，具有重要的实用价值。

附图说明

图1为激光晶化过程示意图，图中：(a)为激光晶化过程示意图，(b)为晶化完成后去掉背面保温层和正面光刻胶后的样品结构示意图。

图2为具有了不同保温层厚度的晶化后多晶硅薄膜的拉曼谱。

图3为采用背面保温层技术激光晶化多晶硅的电子扫描显微镜照片，图中：(a)为未用保温层技术的多晶硅的电子扫描显微镜照片，(b)为使用了保温层技术的多晶硅的电子扫描显微镜照片，其中所用的保温膜厚度为1.5μm。

图4为具有了不同保温层厚度的晶化后多晶硅薄膜的晶粒大小和霍尔迁移率测试结果。

具体实施方式

实施例1：

采用背面保温层技术激光晶化多晶硅薄膜的制备，步骤如下：

1)、采用康宁1737玻璃衬底，采用等离子增强化学气相方法在玻璃衬底正面上沉积100nm厚的氧化硅薄膜阻挡层；

2)、在上述氧化硅薄膜阻挡层上，用低压化学气相沉积(LPCVD)的方法沉积100nm厚的非晶硅薄膜作为晶化前驱物；

3)、在上述玻璃衬底背面，用低压化学气相沉积(LPCVD)沉积0.5μm厚的非晶硅薄膜保温层；

4)、用二倍频YAG激光器扫描正面的非晶硅薄膜表面，所使用波长为532nm，脉冲频率为10Hz，光束直径为5mm，单脉冲能量密度为320mJ/cm²，晶化完成后形成多晶硅表面；

5)、在多晶硅表面旋涂一层佳能204光刻胶，旋涂方法为：在旋甩速度1000转/分钟下旋涂1分钟，在旋甩速度5000转/分钟下旋涂50秒；

6)、通过湿法刻蚀的方法，用Freckle试剂去除衬底背面的非晶硅保温层；

7)、将样品浸入佳能去胶剂10分钟，去掉多晶硅表面的光刻胶。

制备的多晶硅薄膜的检测结果如图2～图4所示。

如图2所示，随着保温层厚度的增加，拉曼谱在480cm^-1波数处的强度降低，且半高宽变窄。说明随着保温层厚度的增加，激光晶化多晶硅的晶化百分比逐渐提高，晶粒尺寸逐渐增大。

如图3所示，扫面电子显微镜直接观察有无背面保温层技术的激光晶化多晶硅的表面形貌。在同等激光晶化条件下，(a)中所示的样品没有使用保温层，(b)中的样品使用了1.5μm厚的保温层。相对于没有使用保温层的样品，使用了1.5μm保温层的样品晶粒大小提高了一倍以上。

如图4所示，随着保温层厚度的改变，所得多晶硅的拉曼谱的半高宽和霍尔迁移率变化显著。其中霍尔迁移率增加了近一倍。说明采用背面保温层技术后，激光晶化多晶硅的质量显著提高了。

实施例2：

采用背面保温层技术激光晶化多晶硅薄膜的制备，步骤如下：

1)、采用康宁1737玻璃衬底，采用等离子增强化学气相方法在玻璃衬底正面上沉积100nm厚的氧化硅薄膜阻挡层；

2)、在上述氧化硅薄膜阻挡层上，用低压化学气相沉积(LPCVD)的方法沉积100nm厚的非晶硅薄膜作为晶化前驱物；

3)、在上述玻璃衬底背面，用低压化学气相沉积(LPCVD)沉积1.0μm厚的非晶硅薄膜保温层；

4)、用二倍频YAG激光器扫描正面的非晶硅薄膜表面，所使用波长为532nm，脉冲频率为10Hz，光束直径为5mm，单脉冲能量密度为320mJ/cm²，晶化完成后形成多晶硅表面；

5)、在多晶硅表面旋涂一层佳能204光刻胶，旋涂方法为：在旋甩速度1000转/分钟下旋涂1分钟，在旋甩速度5000转/分钟下旋涂50秒；

6)、通过湿法刻蚀的方法，用Freckle试剂去除衬底背面的非晶硅保温层；

7)、将样品浸入佳能去胶剂10分钟，去掉多晶硅表面的光刻胶。

制备的多晶硅薄膜的检测结果与技术效果与实施例1相同。

实施例3：

采用背面保温层技术激光晶化多晶硅薄膜的制备，步骤如下：

1)、采用康宁1737玻璃衬底，采用等离子增强化学气相方法在玻璃衬底正面上沉积100nm厚的氧化硅薄膜阻挡层；

2)、在上述氧化硅阻挡层上，用低压化学气相沉积(LPCVD)的方法沉积100nm厚的非晶硅薄膜作为晶化前驱物；

3)、在上述玻璃衬底背面，用低压化学气相沉积(LPCVD)沉积1.5μm厚的非晶硅薄膜保温层；

4)、用二倍频YAG激光器扫描正面的非晶硅薄膜表面。所使用波长为532nm，脉冲频率为10Hz，光束直径为5mm，单脉冲能量密度为320mJ/cm²，晶化完成后形成多晶硅表面；

5)、在多晶硅表面旋涂一层佳能204光刻胶，旋涂方法为：在旋甩速度1000转/分钟下旋涂1分钟，在旋甩速度5000转/分钟下旋涂50秒；

6)、通过湿法刻蚀的方法，用Freckle试剂去除衬底背面的非晶硅保温层；

7)、将样品浸入佳能去胶剂10分钟，去掉多晶硅表面的光刻胶。

制备的多晶硅薄膜的检测结果与技术效果与实施例1相同。

Claims (6)

1.一种采用背面保温层技术激光晶化多晶硅薄膜的方法，其特征在于包括如下步骤：

1)、在玻璃衬底正面上沉积阻挡层；

2)、在上述阻挡层上沉积晶化前驱物；

3)、在上述玻璃衬底背面沉积非晶硅薄膜保温层；

4)、用激光器扫描玻璃衬底正面的晶化前驱物表面，晶化完成后形成多晶硅表面；

5)、在上述多晶硅表面旋涂一层光刻胶；

6)、通过湿法刻蚀的方法，去除衬底背面的非晶硅保温层；

7)、将样品浸入去胶剂10分钟，去掉多晶硅表面的光刻胶。

2.根据权利要求1所述采用背面保温层技术激光晶化多晶硅薄膜的方法，其特征在于：所述阻挡层为氧化硅薄膜，其厚度为100纳米，其制备方法为等离子增强化学气相沉积法。

3.根据权利要求1所述采用背面保温层技术激光晶化多晶硅薄膜的方法，其特征在于：所述晶化前驱物为非晶硅薄膜，其厚度为100纳米，其沉积方法为低压化学气相沉积法。

4.根据权利要求1所述采用背面保温层技术激光晶化多晶硅薄膜的方法，其特征在于：所述非晶硅薄膜保温层的厚度为0.5μm～1.5μm，其沉积方法为低压化学气相沉积法。

5.根据权利要求1所述采用背面保温层技术激光晶化多晶硅薄膜的方法，其特征在于：所述激光器为半导体激光器或准分子激光器，其激光光斑形状为圆形、矩形或正方形；激光器的工艺参数：波长为532nm、脉冲频率为10Hz、光束直径为5mm、单脉冲能量密度为320mJ/cm²。

6.根据权利要求1所述采用背面保温层技术激光晶化多晶硅薄膜的方法，其特征在于：旋涂方法为：在旋甩速度1000转/分钟下旋涂1分钟，在旋甩速度5000转/分钟下旋涂50秒。

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